數字孿生標準體系

數字化轉型、智能化（如智慧城市、智能制造）、服務化、綠色可持續等是當前全球工業和社會發展趨勢。數字孿生（Digital Twin）作為一種在信息世界刻畫物理世界、仿真物理世界、優化物理世界、可視化物理世界的重要技術，為實現上述目標和趨勢提供了有效途徑。當前，數字孿生技術被工業界和學術界廣泛關注和研究[1-2]。據統計，截止目前共有來自美國、中國、德國等40多個國家，超過160家機構的500多位研究人員開展了數字孿生理論與應用研究，并有相關研究成果發表，同時西門子公司、特斯拉公司、ANSYS公司、通用電氣公司等全球知名企業開展了數字孿生在相關領域的落地應用實踐[2-3]。如在制造領域，以德國西門子公司為代表的企業研究了將數字孿生技術應用于產品的設計、生產、制造、運營、服務、回收等全生命周期過程[4]。國內北航數字孿生小組在2017年提出了數字孿生車間的概念，闡述了數字孿生車間的關鍵技術[5-7]，探索了數字孿生與大數據、云計算、人機交互、信息物理系統等技術的關系[8-11]，開展了數字孿生在設計[12]、制造[13-14]、服務[15-17]領域的應用研究，并與國內12家單位共同發起了數字孿生會議。在航空航天領域，美國國家航空航天局（NASA）、洛克希德·馬丁公司、美國空軍研究實驗室等開展了數字孿生在飛行器結構優化、狀態監測、壽命預測與健康管理等方面的應用研究[18-20]。在交通領域，特斯拉公司、DNV GL船級社公司、SNC-蘭萬靈公司（SNC-LAVALIN）等研究了數字孿生在汽車[21]、船舶[22]、火車[23]等領域的應用。此外，在電力[24]、醫療[25]、智慧城市[26-27]等領域均有相關企業和科研單位開展數字孿生的應用。與此同時，國內北航數字孿生小組提出了數字孿生五維模型，并和相關企業共同探討了數字孿生五維模型在衛星/空間通信網絡、船舶、車輛、發電廠、飛機、復雜機電裝備、立體倉庫、醫療、制造車間、智慧城市10個領域的落地應用探索[14]。

然而，在多年的數字孿生理論研究與應用實踐中，發現存在以下問題：①缺乏數字孿生相關術語、系統架構、適用準則等標準的參考，導致不同用戶從不同的應用維度與技術需求層面出發，對數字孿生有不同的理解與認識，從而造成數字孿生研究和落地應用過程中存在交流困難、集成困難、協作困難等問題；②缺乏數字孿生相關模型、數據、連接與集成、服務等標準的參考，在數字孿生關鍵技術實施過程中，導致模型間、數據間、模型與數據間、系統間集成難、一致性差、兼容性低、互操作難等問題，造成新的孤島；③缺乏相關適用準則、實施要求、工具和平臺等標準的參考，在相關行業/領域實施數字孿生過程中，造成用戶或企業不知如何使用數字孿生。

以上問題嚴重阻礙了數字孿生的進一步發展與落地應用，亟需數字孿生相關標準的指導與參考，而當前國內外尚未見到數字孿生相關標準的發布。因此本文結合前期數字孿生研究與應用探索，與國內本領域相關標準技術委員會及應用企業（包括機床、衛星、發動機、工程機械裝備等行業）共同建立一套數字孿生標準體系架構，并從數字孿生基礎共性標準、關鍵技術標準、工具/平臺標準、測評標準、行業應用標準六個層面進行具體闡述，期望為數字孿生標準研究人員提供參考。

根據上述對數字孿生標準體系的需求分析，綜合考慮標準體系的合理性、完整性、系統性、可用性，設計數字孿生標準體系框架圖如圖1所示，從基礎共性標準、關鍵技術標準、工具/平臺標準、測評標準、安全標準、行業應用標準六個方面給出標準指導。

①數字孿生基礎共性標準：包括術語標準、參考架構標準、適用準則三部分，關注數字孿生的概念定義、參考框架、適用條件與要求，為整個標準體系提供支撐作用。

②數字孿生關鍵技術標準：包括物理實體標準、虛擬實體標準、孿生數據標準、連接與集成標準、服務標準五部分，用于規范數字孿生關鍵技術的研究與實施，保證數字孿生實施中的關鍵技術的有效性，破除協作開發和模塊互換性的技術壁壘。

③數字孿生工具/平臺標準：包括工具標準和平臺標準兩部分，用于規范軟硬件工具/平臺的功能、性能、開發、集成等技術要求。

④數字孿生測評標準：包括測評導則、測評過程標準、測評指標標準、測評用例標準四部分，用于規范數字孿生體系的測試要求與評價方法。

⑤數字孿生安全標準：包括物理系統安全要求、功能安全要求、信息安全要求三部分，用于規范數字孿生體系中的人員安全操作、各類信息的安全存儲、管理與使用等技術要求。

⑥數字孿生行業應用標準：考慮數字孿生在不同行業/領域、不同場景應用的技術差異性，在基礎共性標準、關鍵技術標準、工具/平臺標準、測評標準、安全標準的基礎上，對數字孿生在機床、車間、衛星、發動機、工程機械裝備、城市、船舶、醫療等具體行業應用的落地進行規范。

圖1 數字孿生標準體系框架

數字孿生標準體系由數字孿生各項子標準體系組成，數字孿生標準體系結構如圖2所示，包括基礎共性標準、關鍵技術標準、工具/平臺標準、測評標準、安全標準、行業應用標準六部分。

圖2 數字孿生標準體系結構

數字孿生基礎共性標準主要規范數字孿生的基礎性、通用性標準，相關標準及主要內容如圖3所示，包括以下幾個方面。

①術語標準：定義數字孿生有關概念以及相應縮略語，幫助使用者理解數字孿生概念，并為其他各部分標準的制定提供支撐。數字孿生相關術語包括數字孿生主要概念定義、關鍵技術以及相近概念等，例如數字孿生、孿生數據、數字線程（Digital Thread）、數字孿生模型、數字孿生系統、數字孿生技術、數字孿生平臺、多空間尺度模型、多時間尺度模型、多維動態模型、物理實體、虛擬實體、連接、數字孿生服務、服務化封裝、數字足跡、數字化資產、虛實交互等[2]。

②參考架構標準：數字孿生按照物理實體的功能及結構可分為單元級數字孿生、系統級數字孿生和復雜系統級數字孿生三個層級[14]。參考架構標準對上述三個層級的分層規則、數字孿生體系架構以及各部分參考架構進行規范，幫助使用者明確數字孿生分層方法、體系結構以及各部分之間關系等。參考架構標準包括數字孿生分層準則、數字孿生總體參考架構、單元級數字孿生參考架構、系統級數字孿生參考架構、復雜系統級數字孿生參考架構、數字孿生五維模型總體架構、數字孿生物理實體、數字孿生虛擬實體、孿生數據、連接與交互、數字孿生應用/服務平臺、數字孿生安全參考架構、數字孿生測評參考架構等[14]。

③適用準則：規范數字孿生的適用性要求，幫助使用者決策是否適用數字孿生，包括功能要求、性能要求、安全要求、可靠性要求、維護要求、一致性要求（包括可測性要求）等。

圖3 數字孿生基礎共性相關標準及主要內容

數字孿生關鍵技術標準用于規范數字孿生實施過程中涉及的關鍵技術要求，相關標準如圖4所示，包括物理實體標準、虛擬實體標準、孿生數據標準、連接與集成標準、服務標準五部分。

圖4 數字孿生關鍵技術相關標準

5.1 物理實體標準

物理實體標準主要對物理實體的感知接入、決策執行、邊緣端協作方面進行規范，相關標準及主要內容如圖5所示，包括以下幾個方面。

①感知接入標準：規范數字孿生系統中人、機、物、環境等物理實體的感知接入相關技術要求，保證物理實體信息獲取與上傳的規范性和兼容性，包括固有屬性感知接口、歷史屬性讀取接口等靜態屬性感知要求，以及實時狀態感知接口、感知裝置安裝部署、感知裝置性能、感知接入時間敏感性等動態屬性感知要求。

②決策執行標準：規范物理實體的運行控制、運行優化、維護策略、故障自恢復的決策執行相關技術要求，包括控制指令格式、指令校驗、指令注入權限等控制指令接入要求；響應時間、執行效率、時序同步等時間敏感性要求；執行精度、執行穩定性、執行反饋等執行有效性要求。

③邊緣端協作標準：規范數字孿生系統物理實體邊緣端協作相關技術要求，包括邊緣端部署架構、邊緣端功能邊界劃分準則、邊緣端計算接口、邊緣端計算性能、邊緣端網絡性能等。

圖5 物理實體相關標準及主要內容

5.2 虛擬實體標準

虛擬實體標準主要對模型功能、模型描述、模型構建、模型組裝、模型驗證、模型運行、模型管理進行規范，相關標準及主要內容如圖6所示，包括以下幾個方面。

①模型功能與描述標準：規范幾何、物理、行為、規則多維多時空尺度模型的功能與描述相關技術要求[5]，包括幾何功能、物理功能、行為功能、規則功能、維度功能、尺度功能、時空粒度功能、能力描述、性能描述、建模語言、模型封裝、模型輸入輸出描述等。

②模型構建與組裝標準：規范幾何、物理、行為、規則多維多時空尺度模型的構建與組裝相關技術要求，包括考慮模型性能的建模規則、建模環境、建模過程、模型組裝規則、模型組裝接口、模型組裝過程、模型擴展等。

③模型驗證標準：規范幾何、物理、行為、規則單個模型與組裝模型的分層級驗證相關技術要求，包括單個模型與組裝模型的驗證規則、驗證環境、驗證流程、功能驗證、性能（包括粒度、質量、準確性、可用性、易用性等）驗證、一致性驗證、兼容性驗證等。

④模型運行與管理標準：規范模型的運行與管理相關技術要求，包括模型運行環境、模型運行配置、模型運行實時監測、模型簡化/輕量化原則、模型更新、模型優化、模型增刪改查等。

圖6 虛擬實體相關標準及主要內容

圖7 孿生數據相關標準及主要內容

5.4連接與集成標準

連接與集成標準主要對數字孿生物理實體、虛擬實體、服務、數據庫的數據連接與集成進行規范，相關標準及主要內容如圖8所示，包括以下幾個方面。

①連接映射標準：規范數字孿生中物理實體、虛擬實體、服務與數據庫之間的連接映射相關技術要求，包含連接方式、映射模型、映射字典等。

②信息傳輸標準：規范物理實體、虛擬實體、服務與數據庫之間的數據傳輸相關技術要求，包括傳輸協議，傳輸實時性，傳輸可靠性，傳輸安全等。

③交互與集成標準：規范物理實體、虛擬實體、孿生數據與服務之間的交互與集成相關技術要求，包括物理實體與虛擬實體交互、物理實體與孿生數據交互、物理實體與服務交互、虛擬實體與孿生數據交互、虛擬實體與服務交互、服務與孿生數據交互、系統集成方法、系統集成運行機制等。

④連接測試標準：規范物理實體、虛擬實體、服務與數據庫之間的連接測試相關技術要求，包括連接兼容性測試、連接可靠性測試、連接時間敏感性測試、交互功能與性能測試、系統集成測試等。

圖8 連接與集成相關標準及主要內容

5.5服務標準

服務標準主要對服務描述模型、服務開發、服務部署、服務運行、服務管理、服務QoS(服務質量)與測評、服務交易進行規范，相關標準及主要內容如圖9所示，包括以下幾個方面。

①服務描述模型標準：規范數字孿生中的服務描述模型建模相關技術要求，包括建模規則、建模環境、建模語言、建模流程等。

②服務開發標準：規范服務開發的相關技術要求，包括功能描述、設計規范、開發環境、開發流程、服務封裝、服務模板庫等。

③服務部署與運行標準：規范數字孿生中服務部署及運行相關技術要求，包括部署要求、運行環境、服務實例化、運行監測、服務協作、服務運行容錯等。

④服務管理標準：規范服務全生命周期過程管理相關技術要求，包括服務搜索、供需匹配、服務優選、服務調度、服務組合、服務容錯、服務協作等。

⑤服務QoS與測評標準：規范數字孿生的服務QoS與測評相關技術要求，包括時間、成本、信譽、滿意度、非功能服務質量（包括可伸縮性、可擴展性、可重用性、魯棒性、可測試性）等。

⑥服務交易標準：規范數字孿生的服務交易相關技術要求，包括服務交易平臺、服務交易方式、服務交易安全、服務定價與計費、服務授權等。

圖9 服務相關標準及主要內容

數字孿生工具/平臺標準用于對數字孿生實現過程中涉及的軟硬件工具/平臺進行規范，相關標準及主要內容如圖10所示，包括以下兩個方面。

①工具標準：規范數字孿生中涉及的軟硬件工具相關技術要求，包括工具功能、工具性能、工具運行環境、工具二次開發、工具集成、工具使用與維護等。

②平臺標準：規范數字孿生實現過程涉及的平臺相關技術要求，包括平臺功能、平臺性能（包括平臺基本性能、可靠性、擴展性、安全性）、平臺運行環境、平臺使用和維護、平臺接口與集成、平臺安全等。

圖10 數字孿生工具/平臺相關標準及主要內容

數字孿生測評標準用于對數字孿生體系的測試要求與評價方法進行規范，相關標準及主要內容如圖11所示，包括以下幾個方面。

①測評導則：規范數字孿生體系的測試與評價過程的基本要求，包括測評目的、測評類型、測評等級、測評環境、測評工具、測評保密安全等。

②測評過程標準：規范數字孿生體系的測試與評價過程相關技術要求，包含測評分析、測評準備、測評方法選擇、測評步驟、測評文檔等。

③測評指標標準：規范數字孿生體系測試與評價過程涉及的各類指標要求，例如穩定性、可靠性、易用性、安全性、一致性、可維護性、保障能力、移植性、擴展性、自適應性、自演化性、可測性、經濟性、滿意度等。

④測評用例標準：規范數字孿生體系的測試與評價用例相關技術要求，包括用例選取、用例校驗、用例使用、用例歸檔等。

圖11數字孿生測評相關標準及主要內容

數字孿生安全標準用于規范數字孿生體系安全，相關標準及主要內容如圖12所示，包括以下幾個方面。

①物理系統安全要求：規范數字孿生體系中物理系統的安全要求，包括物理系統安全風險分析、電氣系統安全、機械系統安全、本質安全、功能安全等。

②功能安全要求：規范數字孿生中的設計、制造、安裝、運維等過程的安全功能相關技術要求，包括孿生系統安全風險分析、孿生系統安全功能設計、孿生系統安全完整性等級評估等。

③信息安全要求：規范數字孿生體系中涉及的各類信息安全相關技術要求，包括孿生系統信息安全風險分析、孿生數據安全、孿生系統網絡安全等。

圖12 數字孿生安全相關標準及主要內容

依據數字孿生基礎共性標準、關鍵技術標準、工具/平臺標準，測評標準和安全標準，結合各行業/領域自身需求與特點，制定數字孿生機床、數字孿生車間、數字孿生衛星、數字孿生發動機、數字孿生工程機械裝備、數字孿生城市、數字孿生船舶、數字孿生醫療等具體行業的應用標準。在數字孿生使用前，應用對象、功能需求、適用性評價等行業應用標準能夠幫助企業決策數字孿生的適用性。在數字孿生使用過程中，技術要求、工具標準、平臺標準等結合行業/領域特性的應用標準能夠指導數字孿生在各領域的應用落地。在數字孿生使用后，測試要求、評價方法、安全要求、管理要求等行業應用標準能夠指導數字孿生的評估及優化方法，保證其使用安全性、穩定性、可用性與易用性。

本文從數字孿生理解與認識、關鍵技術研究與實施、行業落地應用三個維度分析和探討了數字孿生標準的建設需求。結合前期提出的數字孿生五維模型，探究建立了一套數字孿生標準體系架構，并從基礎共性、關鍵技術、工具/平臺、測評、安全與行業應用六個方面對該標準體系進行了闡述。期望相關工作能為數字孿生標準研究與制定工作起到一點拋磚引玉和參考推動作用。

本文研究工作僅對數字孿生標準體系框架及涉及的主要內容進行了膚淺研究與探討，還存在很多不足，如所列的標準不一定精準和全面，每個標準對應的內容還不全面，所考慮的應用對象和行業還不夠廣泛等等。懇請國內外相關學者和專家批評指正！

數字孿生標準很多工作有待相關研究人員，特別是標準委員會和專業人員，進一步共同深入開展，包括：①數字孿生標準體系的進一步完善，各項數字孿生標準的具體研制；②數字孿生標準驗證平臺的設計與開發；③數字孿生標準服務平臺的構建；④數字孿生標準在各行業的落地推廣應用；⑤數字孿生標準相關工作的國際化等。